Mô phỏng số quá trình ép titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi nhằm tạo cấu trúc nanô

Mô phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi nhằm tạo cấu trúc Nanô Trình bày phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc Nanô bằng biến dạng dẻo khốc liệt SPD. Phần mềm Ansys ứng dụng trong mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn. Mô phỏng quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi. Tác giả đưa ra kết luận và kiến nghị.

Ph¹m thanh s¬n

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mô phỏng số quá trình ép Titan

trong kênh gấp khúc có tiết diện Không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô

Ngành: công nghệ cơ khí

phạm thanh sơn

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn trọng giảng

Hà Nội - 2006

lời cam đoan

Sau quá trình làm việc nghiêm túc tác giả đã hoàn thành bản luận văn với

đề tài: “ Mô phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô” Tác giả xin cam đoan rằng toàn bộ những kết quả

được trình bày trong luận văn này là công trình do chính tác giả thực hiện và chưa

được công bố trên bất kỳ một tạp trí nào Nếu không đúng như vậy, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Chương 1: Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc

1.1 Tổng quan về phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 02 1.2 Phương pháp SPD và sự hình thành những cấu trúc nanô 02 1.2.1 Kỹ thuật và những chế độ SPD 03 1.2.2 Đặc trưng cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng 12

Chương 2: Phần mềm ansys ứng dụng trong Mô phỏng

2.2.1 Tiền xử lý (preprocessing) 28

2.2.3 Hậu xử lý (postprocessing) 50 2.2 ANSYS trong mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn 51

Chương 3: mô phỏng quá trình ép titan trong kênh

gấp khúc có tiết diện không đổi 53

3.1.1 Giới thiệu chung về Titan 53 3.1.2 Tính chất vật lý của Titan 54

3.1.3 Mạng tinh thể của Titan 54 3.1.4 Đặc điểm của chuyển biến pha trong Ti 55

3.2 Xây dựng bài toán ép phôi titan bằng phương pháp ECAP 56

3.2.2 Xác định kiểu phần tử và thuộc tính vật liệu 57

Danh mục các chữ viết tắt

bcc (Bulk-centered cubic): Lập phương tâm khối

ECAP (Equal Channel Angular Pressing): ép trong kênh gấp khúc có tiết diện

không đổi

fcc (Face-centered cubic): Lập phương tâm mặt

hcp (Hexagonal close-packed): Sáu phương xếp chặt

MF (Multiple Forging): Rèn đa chiều

NSM (Nanostructured Materials): Vật liệu cấu trúc nanô

SPD (Severe Plastic Deformation): Biến dạng dẻo khốc liệt

SPTS (Severe Plastic Torsion Straining): Biến dạng dẻo xoắn khốc liệt

TEM (Transmission Electron Microscopy): Hiểm vi điện tử truyền qua

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Trang Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao 04

Hình 1.4 Các cách tiến hành của quá trình ECAP 08 Hình 1.5 Cơ chế dịch chuyển mẫu trong quá trình ECAP 09 Hình 1.6 Những hướng dịch chuyển trong quá trình ECAP theo lộ trình 10

Hình 1.8 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng

(Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt 13 Hình 1.9 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng

(Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình ECAP 15 Hình 1.10 Cấu trúc hai pha của hợp kim Zn-22% Al chịu sự biến dạng

Hình 1.11 Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%C) 17 Hình 1.12 Cấu trúc vi mô của hợp kim Al-7,5%Fe 18 Hình 1.13 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của Silicon

cấu trúc nanô, tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt 20 Hình 1.14 Đặc trưng cấu trúc vi mô của hỗn hợp Al6001 + 10%AlR 2 R0R 3 R

Hình 1.15 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM đối với

Armco-Fe cấu trúc nanô chịu biến dạng xoắn khốc liệt 22

Hình 1.16 Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn

khác nhau trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 23

Hình 2.1 Mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng nhiều đoạn tuyến tính 34 Hình 2.2: “Free meshs” và “Mapped meshs” 39 Hình 2.3 Chia lưới theo kiểu tự do và kiểu bản đồ 40 Hình 2.4a Dạng phần tử là hình khối hộp 41 Hình 2.4.b,c: Ví dụ minh hoạ về chia lưới theo kiếu “bản đồ” 41 Hình 2.5 Chia lưới theo block trong ANSYS 42 Hình 2.6 Chia lại lưới với phần tử tứ giác 42 Hình 2.7 Chia lại lưới với phần tử tam giác 42 Hình 2.8 Phân chia cấp 4 đối với phần tử tứ giác 43 Hình 2.9 Phần tử trong bài toán tiếp xúc 48

Hình 3.1 ảnh chụp cấu trúc tế vi của mẫu Titan với những mặt cắt

Kết quả bài toán ECAP_90P

0

Hình 3.10 Trạng thái biến dạng lưới (ma sát à = 0.0) 66 Hình 3.11 Trạng thái biến dạng lưới (ma sát à = 0.03) 66 Hình 3.12 Chuyển vị theo phương Y (ma sát à = 0.0) 67 Hình 3.13 Chuyển vị theo phương Y (ma sát à = 0.03) 67 Hình 3.14 ứng suất cắt theo mặt YZ (ma sát à = 0.0) 68 Hình 3.15 ứng suất cắt theo mặt YZ (ma sát à = 0.03) 68 Hình 3.16 Cường độ ứng suất σR i R(ma sát à = 0.0) 69 Hình 3.17 Cường độ ứng suất σR i R(ma sát à = 0.03) 69 Hình 3.18 Biến dạng theo mặt YZ (ma sát à = 0.0) 70 Hình 3.19 Biến dạng theo mặt YZ (ma sát à = 0.03) 70 Hình 3.20 Cường độ biến dạng εR i R (ma sát à = 0.0) 71 Hình 3.21 Cường độ biến dạng εR i R (ma sát à = 0.03) 71 Hình 3.22 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.0) 72 Hình 3.23 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.03) 72

0

Hình 3.24 Trạng thái biến dạng lưới (ma sát à = 0.0) 73 Hình 3.25 Trạng thái biến dạng lưới (ma sát à = 0.03) 73 Hình 3.26 Chuyển vị theo phương X (ma sát à = 0.0) 74 Hình 3.27 Chuyển vị theo phương X (ma sát à = 0.03) 74 Hình 3.28 ứng suất cắt theo mặt XY (ma sát à = 0.0) 75 Hình 3.29 ứng suất cắt theo mặt XY (ma sát à = 0.03) 75 Hình 3.30 Cường độ ứng suất σR i R (ma sát à = 0.0) 76 Hình 3.31 Cường độ ứng suất σi (ma sát à = 0.03) 76

Hình 3.32 Biến dạng theo phương X (ma sát à = 0.0) 77 Hình 3.33 Biến dạng theo phương X (ma sát à = 0.03) 77 Hình 3.34 Cường độ biến dạng εR i R (ma sát à = 0.0) 78 Hình 3.35 Cường độ biến dạng εR i R (ma sát à = 0.03) 78 Hình 3.36 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.0) 79 Hình 3.37 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.03) 79 Hình 3.38 Đồ thị mô tả chuyển vị của phôi trong quá trình ECAP

Hình 3.39 Đồ thị mô tả chuyển vị của phôi trong vùng biến dạng ở quá

trình ECAP đối với những trường hợp khác nhau 82 Hình 3.40 Bản vẽ chi tiết khuôn ép có kênh gấp khúc 120P

Hình 3.41 Khuôn ECAP_120P

0

P, đồ gá được chế tạo tại trường ĐHBK

Hình 3.42 Máy ép thuỷ lực 100 tấn (STENH∅J-100) 85 Hình 3.43 Lò nung liên tục HK 40.24 với hệ thống điều khiển SE-40Li 86 Hình 3.44 Phôi ép Titan trước khi biến dạng 86 Hình 3.45 Giản đồ tiến trình nung phôi và khuôn trong lò 87 Hình 3.46 ép phôi Titan trên máy ép thuỷ lực chuyên dụng 100 tấn 87 Hình 3.47 Phôi được ép trong khuôn ECAP_120P

Hình 3.48 Mẫu phôi Titan ép lần thứ nhất (a) và lần thứ hai (b)

trong kênh gấp khúc 120P

lời mở đầu

Bất kỳ một loại vật liệu nào được ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống cũng là kết quả của quá trình nghiên cứu trên cơ sở liên kết chặt chẽ giữa Hoá học (công nghệ chế tạo) vật liệu, Vật lý vật liệu và Cơ học vật liệu Tính năng sử dụng và tuổi thọ của chi tiết máy, các thiết bị điện, điện tử, công trình, không chỉ phụ thuộc vào công nghệ chế tạo vật liệu mà còn được quyết định bởi quá trình xử lý cơ, nhiệt nhằm tối ưu hoá cấu trúc, cơ-lý tính

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học vật liệu nói chung, đòi hỏi chúng ta phải có một loại vật liệu có tính chất về cơ-lý-hoá tính tốt hơn so với bản thân nó khi chưa được xử lý Trong nhiều năm nghiên cứu về cấu trúc vật liệu các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng khi vật liệu

có cấu trúc càng mịn thì thuộc tính cơ học của nó càng tốt hơn Cụ thể là khi vật liệu đạt được trạng thái cấu trúc nanô thì vật liệu sẽ có độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn, và có những thuộc tính chỉ riêng nó mới có

Để tạo ra được vật liệu có cấu trúc nanô thì có rất nhiều phương pháp khác nhau, một trong những phương pháp đó là lợi dụng cơ chế biến dạng của kim loại và hợp kim để tạo ra hạt có cấu trúc nhỏ hơn đó là phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt (SPD - severe plastic deformation) Một trong những công

đoạn của phương pháp SPD được sử dụng phổ biến, và rất đơn giản hiện nay là quá trình ép trong kênh gấp khúc với tiết diện không đổi (ECAP - equal channel angular pressing)

Quá trình ECAP có thể tạo ra được vật liệu cấu trúc nanô đối với nhiều loại vật liệu khác nhau, và không quá khó khăn đối với những vật liệu dễ biến dạng nhưng đối với những vật liệu giòn và kém bền như Titan thì quả là một

điều không thật dễ dàng Chính vì vậy, để tiến hành tạo cấu trúc nanô cho Titan

ta cần hiểu được cơ chế biến dạng và những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

ECAP Để tìm hiểu về vấn đề đó ta cần mô phỏng quá trình ECAP trên máy tính

để phân tích và đưa ra phương án tối ưu giúp cho quá trình thiết kế khuôn và thí

nghiệm được thành công

Với mục đích giới thiệu một phương pháp mới để có thể tạo ra vật liệu cấu

trúc nanô bằng biến dạng dạng dẻo khốc liệt Phương pháp này sẽ được trình bày

cụ thể hơn trong luận văn dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Trọng Giảng, với

đề tài: “ Mô phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô” Luận văn được trình bày trong ba chương:

Chương 1: Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nanô bằng biến dạng dẻo

Hy vọng đề tài này sẽ giúp cho ta hiểu được một cách khái quát về cơ chế

biến dạng của Titan trong quá trình ECAP dẫn đến sự hình thành cấu trúc của vật

liệu Qua đó có thể tiến hành tạo ra vật liệu cấu trúc nanô cho những vật liệu

khác nhau sử dụng quá trình ECAP nói riêng và phương pháp SPD nói chung

Tác giả mong muốn có được sự góp ý của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2006

Tác giả

Phạm Thanh Sơn

Chương 1

Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nanô

Bằng biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

1.1 Tổng quan về phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

Trong vài năm gần đây, những vật liệu cấu trúc nanô (NSM - nanostructured materials) dạng khối được chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt (SPD - severe plastic deformation) đã thu hút sự quan tâm của nhiều chuyên gia về khoa học vật liệu Sự quan tâm này không chỉ được quyết định bởi những tính chất cơ học và vật lý vốn có đối với những vật liệu cấu trúc nanô khác nhau (ví dụ, chế tạo bằng sự ngưng tụ khí hoặc nghiền bi với sự củng cố tiếp theo), mà còn bởi chính những ưu điểm của vật liệu SPD

so với những vật liệu cấu trúc nanô (NSM) khác Cụ thể là, phương pháp SPD cho phép khắc phục một số liên kết cũng như trạng thái nứt còn lại trong những mẫu đặc, những tạp chất từ máy nghiền bi, sự gia công phôi và ứng dụng thực tế quy mô lớn của những vật liệu nhất định Nguyên lý của việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô dạng khối sử dụng phương pháp SPD có thể chọn để thay cho phương pháp ép bột nanô

Đặc điểm được biết đến nhiều nhất của phương pháp SPD là sự biến dạng rất mạnh, chẳng hạn bằng cán hoặc tạo hình nguội, có thể dẫn đến cải tiến quan trọng cấu trúc vi mô ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, những sự hình thành cấu trúc thường là cơ sở của một loại ô mạng có những biên hạt góc thấp với những định hướng sai Trong đó, cấu trúc nanô được hình thành từ phương pháp SPD là những cấu trúc của một loại hạt siêu mịn bao gồm chủ yếu những biên hạt góc lớn Sự hình thành những cấu trúc nanô như vậy có thể

được thực hiện bởi phương pháp SPD, tạo ra sự biến dạng rất lớn ở nhiệt độ tương đối thấp, chịu tác động áp lực cao Để hiểu rõ được nguyên lý này thì

những phương pháp đặc biệt của biến dạng cơ học đã được phát triển và sử dụng Những phương pháp này như sau: biến dạng xoắn khốc liệt dưới áp lực cao, ép trong kênh gấp khúc có tiết diện như nhau và khác nhau Điều đó cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp SPD có thể chế tạo phôi cấu trúc nanô dạng khối ở những kim loại, hợp kim và liên kim khác nhau

Những sự phát triển và nghiên cứu đầu tiên của việc tạo ra vật liệu cấu trúc nanô, ứng dụng phương pháp SPD được thực hiện bởi Valiev và cùng những cộng sự của ông ta hơn mười năm trước Những năm gần đây vấn đề này được mô tả một cách rõ nét hơn qua sự công bố của nhiều công trình khác Mặc dù vậy, các nhà khoa học tin tưởng rằng những khám phá quan trọng nhất về thuộc tính đặc biệt của vật liệu chế tạo bằng phương pháp SPD

sẽ tiếp tục được tìm ra trong những năm tới Một số thuộc tính này là duy nhất

và khá quan trọng đối với những sự nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Tổng quan này trình bày một số kết quả đã đạt được đồng thời đưa ra những vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu về vật liệu cấu trúc nanô được chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

này Sự hình thành cấu trúc nanô ở mẫu dạng khối không thể xảy ra nếu không áp dụng những nguyên tắc phối hợp cơ học riêng của biến dạng Hiện nay, phần lớn những kết quả thu được đều liên quan tới việc áp dụng hai phương pháp SPD: biến dạng xoắn dưới áp lực cao và ép có góc rãnh như nhau (ECAP - equal channel angular pressing) hoặc khác nhau Một vài nghiên cứu

đã được biết đến về sự hình thành cấu trúc nanô và tinh thể siêu tế vi ở những kim loại và hợp kim khác nhau bằng biện pháp rèn đa chiều

1.2.1 Kỹ thuật và những chế độ SPD

Sự biến dạng xoắn dưới áp lực cao và ép trong kênh gấp khúc có tiết diện như nhau (ECAP) là một trong những phương pháp cho phép tạo ra sự biến dạng dẻo lớn (với biến dạng thực ≥ 10) và sự hình thành cấu trúc nanô

1.2.1.1 Biến dạng xoắn dưới áp lực cao

Những thiết bị tạo ra sự biến dạng dẻo xoắn khốc liệt (SPTS - Severe Plastic Torsion Straining) được điều khiển dưới áp lực cao Nguyên lý chế tạo những thiết bị đó là một sự phát triển cao hơn thiết bị kiểu đe của Bridgenan

ở cơ cấu đầu tiên thiết bị này được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi pha trong suốt quá trình biến dạng dữ dội cũng như sự phát triển cấu trúc và những thay đổi về nhiệt độ kết tinh lại sau biến dạng lớn Sự hình thành cấu trúc nanô

đồng nhất với những biên hạt góc lớn qua biến dạng xoắn khốc liệt được chế tạo thành công là một bước rất quan trọng để coi qui trình này như một phương pháp mới trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét những khía cạnh cơ học của sự biến dạng xoắn khốc liệt

Phương pháp biến dạng xoắn dưới áp lực cao có thể được sử dụng để chế tạo những mẫu kiểu đĩa Nguyên lý của quá trình xoắn dưới áp lực cao

được mô tả dưới dạng biểu đồ ở hình 1.1a Phôi kim loại được nén ở giữa những cái đe và được biến dạng xoắn dưới áp lực đặt (P) bằng vài GPa Một

mâm cặp ở dưới quay và lực ma sát bề mặt làm biến dạng phôi kim loại bằng cách dịch chuyển Do hình dạng hình học đặc trưng của mẫu nên thể tích chính của vật liệu bị biến dạng ở điều kiện nén gần như là thuỷ tĩnh dưới áp lực đặt và áp lực ở những lớp vòng ngoài mẫu Kết quả cho thấy, mặc dù giá trị biến dạng lớn nhưng mẫu biến dạng không bị phá huỷ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao;

Hình 1.1b thể hiện những biến số được sử dụng để tính toán biến dạng gây ra trong quá trình HPT, tại góc quay và khoảng dịch chuyển nhỏ tương ứng với dθ và dl, ta có dl = rdθ, trong đó r là bán kính của đĩa và biến dạng

cắt (biến dạng trượt) dγ được tính bởi:

0

rd h

trình xoắn thường được quy về giá trị biến dạng tương đương eR eq R phù hợp với

điều kiện dẻo Mises

= +

=

0 3

2 1 ln ) 1 ln(

h

r

π

trong đó: h - là khoảng sau khi biến dạng,

hR 0 R - là khoảng trước khi biến dạng

Biến dạng thực của đĩa ứng với hR 0 R = 0,3 mm và r = 5 mm sau một vòng quay bằng 4,1 (tính theo công thức 1.4) và bằng 4,65 (tính theo công thức 1.5)

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau một số lần quay sự biến dạng theo cách thức này thường cho kết quả như nhau dẫn đến cấu trúc vi mô ở tâm của mẫu được cải thiện và cấu trúc nanô được tạo ra thường đồng nhất ở bán kính của mẫu Tính đồng nhất về cấu trúc của mẫu được kiểm định bởi sự phân bố

đồng nhất giá trị độ cứng vi mô đo qua mỗi mẫu

Những mẫu được tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt thường ở dạng đĩa

có đường kính từ 10 đến 20mm và chiều dày 0,2 ữ 0,5mm Sự thay đổi đáng

kể về cấu trúc vi mô được quan sát ngay sau sự biến dạng qua 1/2 vòng quay, nhưng sự hình thành cấu trúc nanô đồng nhất được quyết định ở một số vòng quay nhất định như một quy luật

Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng biến dạng xoắn khốc liệt có thể được ứng dụng thành công không chỉ cho sự cải thiện cấu trúc vi mô mà

còn để gia cố bột Quá trình biến dạng xoắn ở nhiệt độ phòng dưới áp lực cao bằng vài GPa có thể cho một mật độ khá cao gần 100% trong quá trình tạo những mẫu cấu trúc nanô dạng đĩa

liệu khó biến dạng, quá trình ECAP được điều chỉnh ở nhiệt độ thích hợp để quá trình biến dạng của phôi được dễ dàng hơn

Tại vị trí góc ở phía ngoài ψ = 0P

0

P (Hình 1.3a), xét một phần tử nhỏ hình vuông abcd ở kênh đi vào và góc ở phía trong φ là bất kỳ, ép qua mặt phẳng

cắt giả định và trở nên méo đi thành hình bình hành a’b’c’d’ Từ những

nguyên tắc đầu tiên này, ta có thể xác định biến dạng cắt γ bởi công thức:

cos2

2cot

là công thức tổng quát nhất và có thể được sử dụng để tính toán biến dạng cắt

γ đối với cả ba trường hợp trên (hình 1.3) Do đó, biến dạng tương đương eR N Rsau N lần ép có thể được trình bày một cách tổng quát bởi công thức sau:

cos2

2cot233

ec N

N

(Ψ, φ: là góc ngoài và góc trong của kênh ép thể hiện trên (Hình 1.3))

Sử dụng công thức (1.9) để tính toán với trường hợp ECAP góc φ = 90P

0

P,

H×nh 1.3 Nguyªn lý cña ECAP: (a) ψ = 0P

Trong quá trình ECAP, hướng và số lần ép phôi là rất quan trọng trong việc cải thiện cấu trúc vi mô Các lộ trình của phôi trong quá trình ECAP được thể hiện trên (Hình 1.4): lộ trình A, hướng dịch chuyển của phôi không thay

đổi ở mỗi lần ép; lộ trình B, sau mỗi lần ép phôi được xoay đi một góc 90P

0

Pquanh trục dọc của nó; lộ trình C, sau mỗi lần ép phôi được xoay đi một góc

180P

0

P

quanh trục dọc của nó

Hình 1.5 Cơ chế dịch chuyển mẫu trong quá trình ECAP:

(a) biến dạng một chu kỳ; (b) lộ trình A; (c) lộ trình C

Những lộ trình đã cho ở trên (hình 1.5) được phân biệt theo phương trượt của phôi trong kênh gấp khúc ở mỗi lần ép kế tiếp Vì thế, trong quá trình ECAP xuất hiện sự thay đổi các ô hình cầu bên trong phôi

Trong quá trình ECAP tại nơi giao nhau của kênh gấp khúc, ô trống hình tròn sẽ chuyển đổi hình dạng thành một elíp (hình 1.5 a) Điều này xuất

hiện sau lần ép đầu tiên do sự trượt thuần tuý Hơn nữa, kết quả ở những lần

ép tiếp theo của lộ trình A là sẽ dẫn đến sự dài ra của trục 1 và elíp Trong đó phương trượt được xoay quanh đường thẳng góc với trục tạo với mặt cắt dọc của kênh một góc 2φ, thể hiện trên hình (1.5b)

Quá trình ép được lặp lại trong lộ trình B, dẫn tới phương và mặt phẳng trượt bị xoay đi một góc 120P

0

P (với 2φ = 90P

0

P) (hình 1.6b)

Trong quá trình biến dạng bởi lộ trình C, quá trình ép được thực hiện lại, phương trượt vẫn trong cùng một mặt phẳng nhưng theo hướng đối diện (hình 1.5 c và 1.6 c) ô hạt tạo ra có dạng hình cầu

áp dụng cả ba lộ trình trên sẽ thu được những giá trị tăng lên về ứng suất chảy và độ bền của vật liệu được gia công Vật liệu này sẽ đạt được trạng thái bão hoà sau một vài lần ép Người ta đã thực hiện quá trình ECAP đối với những mẫu Cu và Ni như hình 1.5 và nhận thấy trong quá trình biến dạng có

sự tăng tải Hơn nữa, có sự ổn định trong giai đoạn tăng bền và tải hầu như không thay đổi

Hình 1.6 Những hướng dịch chuyển trong quá trình ECAP

theo lộ trình A (a), B (b), C (c)

1.2.1.3 Rèn đa chiều

Đây cũng là một trong phương pháp tạo ra cấu trúc nanô ở những phôi dạng khối nhờ sự rèn đa chiều (MF-multiple forging), nó được phát triển bởi tác giả Salishchev Quá trình rèn đa chiều thường được kết hợp với động lực kết tinh lại

Hình 1.7 Nguyên lý của rèn đa chiều: (a), (b), (c) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ nhất; (d), (e), (f) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ hai; (g), (h), (i) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ ba

Nguyên lý của rèn đa chiều (hình 1.7) giả thiết rằng sự lặp lại nhiều lần của những thao tác rèn tự do: điều chỉnh quá trình chuốt với sự thay đổi trục của lực biến dạng thực Tính đồng nhất của biến dạng đạt được trong quá trình rèn đa chiều thấp hơn so với trường hợp ECAP và biến dạng xoắn Tuy nhiên, phương pháp này cho phép thu được trạng thái cấu trúc nanô trong vật liệu khá giòn bởi vì quá trình chế tạo bắt đầu ở nhiệt độ cao và tải đặc trưng trên máy

gia công là thấp hơn Để thu được kích thước hạt nhỏ nhất thì cần phải lựa chọn nhiệt độ và chế độ biến dạng thích hợp

Phương pháp rèn đa chiều được sử dụng để tinh chế một số hợp kim cấu trúc vi mô, bao gồm Ti, hợp kim Ti VT8, VT30, Ti-6%Al-32%Mo, hợp kim Mg; Mg-6%Zn, những hợp kim Ni, hợp kim có độ bền cao và một số loại khác Quá trình rèn đa chiều thường được thực hiện ở khoảng nhiệt độ biến dạng dẻo 0,1 ữ 0,5 TR ml R (TR ml R - là nhiệt độ nóng chảy) Nó được thể hiện ở những hợp kim hyđrô hoá của hợp kim Ti hai pha, không chỉ tăng thêm tính dẻo, giảm bớt nhiệt độ biến dạng mà còn làm kích thước hạt nhỏ hơn

Bởi vậy, phương pháp SPD đã được phát triển để hình thành cấu trúc nanô ở những phôi và đĩa dạng khối không kể đến sự khác nhau của kim loại

và hợp kim Tuy nhiên, vấn đề chế tạo những phôi có kích thước lớn hơn có cấu trúc đồng đều thì vẫn còn rất thực tế Vấn đề phát triển phương pháp SPD mới có hiệu quả hơn trong giới hạn công nghệ của chúng ta, cũng như việc cải tiến thiết bị khuôn và việc tạo ra trạng thái cấu trúc nanô ở vật liệu dễ biến dạng, bao gồm cả hoá bền biến dạng cũng là rất cần thiết

1.2.2 Đặc trưng cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng

Phương pháp SPD có thể tạo ra cấu trúc nanô trong những vật liệu khác nhau Tuy nhiên kích thước hạt đạt được và đặc tính của sự hình thành cấu trúc nanô phụ thuộc vào việc áp dụng những phương pháp SPD, chế độ tạo ra, kết cấu pha và cấu trúc vi mô ban đầu của vật liệu Dưới đây là một số ví dụ về

đặc trưng cấu trúc nanô, thảo luận các bước tiến hành để đạt được kích thước hạt nhỏ nhất trong những vật liệu khác nhau được chế tạo bằng phương pháp SPD và coi điều đó đồng thời với sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình biến dạng mãnh liệt

Ngày nay, cấu trúc nanô đã được tạo ra ở một số kim loại, hợp kim, thép và những hợp chất liên kim nhờ việc ứng dụng các phương pháp SPD khác nhau

Hình 1.8 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt: (a) ảnh nền sáng và mẫu hình nhiễu xạ; (b) ảnh nền tối; (c) biểu đồ sự sắp xếp kích thước hạt

Trong những kim loại nguyên chất, việc ứng dụng biến dạng dẻo xoắn khốc liệt có thể tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn với kích thước trung bình khoảng

100 nm và áp dụng quá trình ECAP có thể tạo ra kích thước hạt 200 ữ 300

nm Trên hình 1.8, là những hình ảnh nền sáng và tối được quan sát bằng kính hiểm vi điện tử thể hiện cấu trúc nanô tiêu biểu của đồng (99,98%), tạo

ra bằng quá trình SPTS ở nhiệt độ phòng (biến dạng thực e = 7, áp lực đặt P

= 7GPa) Kết quả thể hiện trên (hình 1.8) cho thấy rằng biên hạt rất dễ nhận, chúng là những đường cong hoặc gợn sóng Cũng có những biên hạt với những hình ảnh không được rõ nét và sự nhiễn xạ tương phản bên trong hạt

là không đồng nhất và thường chịu sự biến đổi phức tạp Điều này đòi hỏi phải có một mức lớn ứng suất bên trong và sự biến dạng đàn hồi của mạng tinh thể Như vậy, một sự tương phản phức hợp được quan sát cả bên trong hạt chứa đựng sự chuyển vị mạng và hạt không chứng tỏ có khuyết tật mà chứng tỏ những biên hạt là những nguồn ứng suất bên trong Sự phân bố góc cực của những vị trí thu được trên mẫu nhiễu xạ cũng biểu thị những ứng suất nội tại cao Mật độ trung bình của chuyển vị mạng của đồng (Cu) chế tạo bằng SPD là khoảng 5P Pữ 1014 m-2 Những vị trí trên mẫu nhiễu xạ sắp xếp dọc theo vòng tròn biểu hiện những sự định hướng sai về góc lớn của những mặt bên cạnh của mạng tinh thể Sự có mặt của biên hạt góc lớn chủ yếu

trong cấu trúc của đồng (Cu) phải chịu biến dạng mãnh liệt cũng được xác nhận bởi những phép đo trực tiếp sự sai lệch định hướng của biên hạt riêng

lẻ, sự tồn tại rất quan trọng có đặc tính của vật liệu SPD Những biểu đồ của

sự phân bố cỡ hạt đang tồn tại từ những ảnh nền tối cho thấy cấu trúc của

đồng (Cu) chế tạo bằng SPD được mô tả bởi sự phân bố theo tiêu chuẩn lôgarit với kích thước hạt trung bình 107 nm (hình 1.8c)

Những đặc tính tương tự cấu trúc nanô được quan sát ở niken nguyên chất tạo ra bằng quá trình SPTS ở nhiệt độ phòng Một kích thước hạt nhỏ hơn khoảng 80nm thu được ở những mẫu Armco-Fe và Ti có mạng tương ứng là

lập phương tâm khối (bcc) và sáu phương xếp chặt (hcp) Tuy nhiên, cấu trúc nanô của chúng được mô tả bởi sự tương phản nhiễu xạ phức tạp hơn do ứng suất đàn hồi nội tại cao hơn

Hình 1.9 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình ECAP: (a) lộ trình B; (b) lộ trình C

Quá trình ECAP cũng có thể dẫn đến sự hình thành cấu trúc nanô trong những kim loại nguyên chất Riêng đối với Cu (99,97%) chịu tác động của quá trình ECAP ở nhiệt độ phòng (12 lần ép, lộ trình B), kích thước hạt trung bình đạt

được là 210nm (hình 1.9a) Cùng lúc, những nghiên cứu TEM đã phát hiện ra sự

có mặt của ba loại hạt ở những hạt nhỏ, kích thước lên tới 100nm, hầu như không xảy ra những sự dịch chuyển mạng, ở những hạt kích thước trung gian quan sát thấy những sự dịch chuyển hỗn loạn tách rời nhau và trong những hạt lớn (400 ữ 500nm) phát hiện ra sự hình thành những hạt thay thế Mật độ dịch chuyển mạng trung bình bên trong hạt là 5 x 1014 m-2 Hơn nữa, những kiểu cấu trúc được tạo ra bởi quá trình ECAP phụ thuộc rất nhiều vào lộ trình sự biến dạng

đã được trình bày ở trên Chẳng hạn, quá trình ECAP của Cu, trong trường hợp cùng số lần ép, sự thay đổi lộ trình của thanh từ B → C dẫn đến sự hình thành kiểu cấu trúc miro khác - một cấu trúc được phân lớp, có nhiều đường biên hạt

góc thấp (hình 1.9b) Mới đây, vấn đề này đã được nghiên cứu rất chi tiết trong quá trình ECAP của Al, những nghiên cứu đó đã cho thấy sự đồng nhất của cấu trúc, sự kéo dài ra của hạt và phần nhỏ thể tích của biên hạt góc lớn được xác

định không chỉ bởi giá trị biến dạng mà chủ yếu bởi những lộ trình ép Cũng cần tính đến khả năng phôi ép trong quá trình ECAP bị nóng lên để sử dụng như một tác dụng quan trọng dựa trên sự hình thành cấu trúc mà không ảnh hưởng gì Trong những hợp kim bị biến dạng dẻo khốc liệt, cấu trúc cuối cùng được quyết

định không chỉ bởi lộ trình ép mà còn bởi cấu trúc vi mô ban đầu Sự hình thành cấu trúc nanô trong dung dịch rắn một pha xảy ra giống như ở những kim loại nguyên chất Sự khác biệt chỉ thu được ở kích thước hạt, sự thu được đó là không

đáng kể ở trường hợp của hợp kim Chẳng hạn, trong hợp kim Al chịu quá trình SPTS cỡ hạt trung bình thông thường là 70 - 80nm Trong hợp kim nhiều pha bản chất và hình thái của những pha thứ hai đóng một vai trò rất quan trọng Như vậy,

sự cải tiến cả hai pha của hợp kim Zn-22%Al hai pha trong quá trình biến dạng khốc liệt đã được thực hiện và sau quá trình SPTS (5 lần xoay), cấu trúc nanô kép với một kích thước hạt trung bình của cả hai pha thấp hơn 100nm có thể được hình thành ở nhiệt độ phòng (hình 1.10)

Hình 1.10 Cấu trúc hai pha của hợp kim Zn-22% Al chịu sự biến dạng xoắn

khốc liệt ở nhiệt độ phòng

Sự biến dạng dẻo khốc liệt của thép cacbon cao (1,2%C) cũng là một ví

dụ thú vị về sự hình thành những trạng thái siêu bền Kiểm tra thép trong trạng thái bình thường (hình 1.11a) và có một cấu trúc peclit với một lượng dư cementit Quá trình SPTS (e = 7, P = 6GPa) đã dẫn đến hình thành cấu trúc phân tán cực độ với kích thước hạt 20nm (hình 1.11b) mà được xảy ra cùng sự hoà tan hết cementit Cấu trúc nanô thu được xuất hiện trong dung dịch rắn quá bão hoà của cácbon ở gang - α

Hình 1.11 Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%C): (a) ở thời điểm ban đầu, trạng thái bình thường; (b) sau khi biến dạng xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng

Sự hình thành những dung dịch rắn cũng được phát hiện trong quá trình SPD của một số hợp kim có liên quan tới một vài chế độ không hoà trộn mà cũng không hoà tan lẫn nhau, cụ thể với: Cu-50%Al, Al-Fe và những hợp kim khác Hợp kim Al-7,5%Fe đã được một số tác giả nghiên cứu, nó có một cấu trúc kiểu hình cây bao gồm Al fcc (fcc-lập phương tâm mặt) và pha AlR 13 RFeR 4 Rthuộc loại đơn nghiêng (hình 1.12a) với kích thước phần tử lớn hơn 10àm Sau quá trình SPTS một cấu trúc hạt siêu nhỏ với kích thước hạt khoảng 100nm

được hình thành ở lớp nền (hình 1.12b) Như phép phân tích phân tán năng lượng đã thể hiện, pha Al trở thành một dung dịch rắn quá bão hoà, chiếm

1,34 ữ 2,24% trọng lượng gang Cùng lúc, pha AlR 13 RFeR 4 R có dạng hình cây biến

đổi thành những hạt hình cầu với một kích thước khoảng 1àm và một phần phân huỷ hình thành dung dịch rắn

Những trạng thái siêu bền do SPD tạo ra là rất đáng được quan tâm vì trên thực tế sau sự nóng lên đó đã xuất hiện sự phân huỷ dẫn tới những thuộc tính mới lạ của vật liệu

Hình 1.12 Cấu trúc vi mô của hợp kim Al-7,5%Fe: (a) trạng thái mẫu đúc ban đầu (dùng kính hiểm vi quang điện) và sau khi biến dạng xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng; (b) ảnh nền tối; (c) ảnh nền tối; (d) mẫu hình SAED

Một đặc tính đáng được chú ý nữa được tiến hành ở những hợp kim chịu tác động của quá trình SPD là sự phát triển tinh thể kép Chẳng hạn, dọc theo

sự biến đổi mạnh mẽ của cấu trúc xuất hiện một số lớn tinh thể kép được quan sát ở hợp kim Mg sau quá trình SPTS

Trong những hợp chất liên kim, sau biến dạng dẻo khốc liệt có thể quan sát thấy không chỉ sự hình thành một cấu nanô mà còn làm nguyên tử sắp xếp không theo trật tự ban đầu Vấn đề này được nghiên cứu ở những hợp chất liên kim NiR 3 RAl và TiAl Như những nghiên cứu về TEM đã cho thấy, cấu trúc nanô với kích thước hạt khoảng 50nm được hình thành ở NiR 3 RAl sau quá trình SPTS (e = 7, P = 8GPa) Cấu trúc có một số lượng lớn những cặp micrô phân tán với chiều dày chỉ 1 ữ 2nm Cùng lúc, tham số chỉ thị chiều dài S được đánh giá bằng phương pháp phân tích cấu trúc máy X-quang sử dụng tỷ lệ giữa cường

độ tương ứng của những đỉnh mạng chồng chập {100} hoặc {110} và những

đỉnh cơ bản {200} hoặc {220} Những đánh giá này đã cho thấy sự xáo trộn hoàn toàn cấu trúc nguyên tử trong hợp chất liên kim NiR 3 RAl sau biến dạng khốc liệt Tuy nhiên, sự nóng lên của phôi có thể lên tới 3500C đã dẫn đến phục hồi một phần sự sắp xếp theo trật tự Sau biến dạng khốc liệt tham số chỉ thị chiều dài S = 0,1 đã đạt được ở hợp chất liên kim TiAl Nhưng trong trường hợp này áp lực được gây ra để tác động lên quá trình cao hơn (P = 10GPa)

Trong những chất bán dẫn, như Gecmani và Silic, có mạng tinh thể kiểu kim cương, áp dụng quá trình SPTS cũng dẫn đến hình thành cấu trúc phân tán

ở mức độ cao (hình 1.13) Việc phân tích những ảnh nền tối đã chỉ ra rằng cấu trúc nanô của Ge và Si được mô tả bởi sự phân bố kích thước hạt theo tiêu chuẩn lôgarit, kích thước hạt trung bình tương ứng là 24 nm và 17 nm Kiểm tra những hình nhiễu xạ từ mặt mẫu 2àm2 phát hiện những vòng đồng tâm gồm có một số đốm Cùng lúc, những sự biến đổi đa hình được phát hiện ở Ge

và Si cấu trúc nanô chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt dưới áp lực 7 GPa

Cụ thể là, sự xuất hiện của một pha hình tứ giác với mạng tinh thể kiểu P4R 3 R2R 1 R2 quan sát được ở Ge và một pha hình lập phương với mạng tinh thể kiểu Ia3 quan sát được ở Si

Hình 1.13 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của Silicon cấu trúc nanô, tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt: (a) ảnh nền sáng và mẫu hình

nhiễu xạ; (b) ảnh nền tối; (c) biểu đồ sự sắp xếp kích thước hạt

Trong vật liệu tổ hợp kim loại việc áp dụng phương pháp SPD cũng dẫn tới tạo thành cấu trúc nanô Đặc biệt, một trong những phương pháp chế tạo composite nanô là sự hợp nhất của bột kim loại và gốm bằng biến dạng xoắn Những dạng cấu trúc nanô thu được bằng SPTS làm hợp nhất bột micrô

Cu và Al và bột nanô SiOR 2 R cũng đã được nghiên cứu Những mẫu dạng khối của composite nanô với mật độ trên 98% chế tạo bằng phương pháp này cho kích thước hạt trung bình ở mẫu Cu là 60nm và mẫu Al là 200nm

Phương pháp SPD cũng được sử dụng để tạo cấu trúc nanô trong vật liệu

tổ hợp kim loại, tại đó những hạt gốm được sắp xếp giống nhau Ví dụ, do quá trình biến dạng xoắn khốc liệt cấu trúc đồng nhất với kích thước hạt trung bình khoảng 100nm (hình 1.14) đã được tạo thành trong hỗn hợp Al6001 + 10%AlR 2 R0R 3 R và Al2009 + 15%SiC Tuy nhiên, trong quá trình biến dạng những hạt gốm không thể thay đổi hình dạng và kích thước ban đầu của chúng Trong hỗn hợp Al6061 + 10%AlR 2 R0R 3 R hạt gốm có dạng hình cầu kích thước từ 0,2 ữ 5àm và trong hỗn hợp Al2009 + 15%SiC hạt gốm có dạng hình tấm mỏng, dài hơn 10 àm và lên tới 0,5àm tại mặt cắt ngang

sau khi biến dạng xoắn khốc liệt

Đối với những kết quả thu được, cần chú ý thêm một lần nữa rằng hầu hết các nghiên cứu đều giải thích khả năng hình thành cấu trúc nanô bằng những điều kiện của phương pháp biến dạng dẻo của khốc liệt ở những vật liệu kim loại, composites và những chất bán dẫn khác nhau Đặc tính hình thành cấu trúc được xác định không chỉ bởi chính vật liệu (cấu trúc vi mô ban đầu, pha hợp thành và kiểu mạng tinh thể) mà còn do chế độ biến dạng khốc liệt (tốc độ biến dạng, nhiệt độ và áp lực v.v ) Nói chung, sự giảm nhiệt độ, tăng

áp lực và hợp kim hoá, tất cả đều góp phần cải thiện cấu trúc và thu được kích thước hạt nhỏ nhất

Hình 1.15 Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM đối với Armco-Fe cấu trúc nanô chịu biến dạng xoắn khốc liệt: (a) N=1/4, (b) N=1, (c) N=5

ảnh nền sáng và nền tối và mẫu hình nhiễu xạ được đưa ra ở những giai đoạn

biến dạng khác nhau

Kết luận, các vấn đề đã nêu ở trên đã phần nào giúp chúng ta tính toán

đến những cơ chế ngắn gọn để hình thành cấu trúc nanô trong quá trình SPD

Đáng tiếc là, các vấn đề đó chỉ cho biết một số công đoạn để thay đổi cấu trúc trong quá trình SPD Quá trình SPD đã cố gắng thực hiện những quy tắc hình

thành cấu trúc nanô, và hiện nay vấn đề này vẫn rất khó hiểu Một trong số những công đoạn đầu tiên đã đề cập đối với nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc vi mô trong những đơn tinh thể của Cu, Ni và hợp kim cơ bản Ni-Cr trong quá trình SPTS Sự thay đổi cấu trúc vi mô ở kích thước mạng tinh thể 100nm được quan sát trong giai đoạn cuối cùng của quá trình SPTS Trên cơ sở phân tích những quá trình thay đổi cấu trúc vi mô và phép đo độ cứng vi mô các nhà khoa học đã làm một phép thử để xác định chuỗi dịch chuyển cấu trúc trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt Từ đó đã phát hiện ra rằng trong những vật liệu có năng lượng phá huỷ trật tự sắp xếp lớn (Cu và Ni) với logar của giá trị biến dạng tăng dần lên tới e = 2 sự chuyển vị được tập trung ở những tường ô trống và hầu hết không tồn tại ở bên trong ô trống Hơn nữa, sự tăng biến dạng lên tới e = 5 dẫn tới giảm kích thước ô trống và tăng sai lệch định hướng ô trống Như đã giả thiết, vấn đề này có thể dẫn tới tăng cường phương thức quay vòng sự biến dạng trong toàn bộ thể tích mẫu Sự giảm năng lượng phá huỷ ở (hợp kim Ni-Cr) gây ra thay đổi trong cơ chế biến dạng dẻo khốc liệt khi biến đổi cấu trúc vi mô được thực hiện qua việc hình thành dải dịch chuyển mà bao quát dần dần thể tích mẫu

Hình 1.16 Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn khác

nhau trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

Sự nghiên cứu TEM cũng đã thể hiện rằng việc tạo ra cấu trúc nanô ở Armco-Fe và thép một pha trong quá trình SPTS có đặc tính bước rõ ràng Một cấu trúc dạng ô hình mạng với kích thước ô trống trung bình 400nm tiêu biểu (hình 1.15a) đối với giai đoạn đầu tiên, tương ứng độ xoắn trong phạm vi từ

1/4ữ1 vòng tròn Góc định hướng giữa những ô trống là 2 ữ 30 ở giai đoạn thứ hai, tương ứng với phạm vi từ 1 ữ 3 vòng tròn, có thể quan sát được sự hình thành cấu trúc chuyển tiếp có đặc tính của cả ô hình mạng lẫn cấu trúc nanô (hình 1.15b) với sự định hướng sai về góc lớn Như vậy, giá trị biến dạng tăng thêm, làm giảm kích thước ô trống và xuất hiện sự định hướng sai tường ô trống Giai

đoạn thứ ba được mô tả bởi sự hình thành cấu trúc nanô đồng nhất với kích thước trung bình khoảng 100 nm ở Armco-Fe (hình 1.15c) và kích thước hạt nhỏ hơn ở thép Những hạt bị biến dạng đàn hồi có đặc điểm nổi bật được thấy trong những hình ảnh nền tối Nguyên nhân của sự biến dạng đàn hồi này hiển nhiên là do ứng suất dọc theo chiều dài từ trạng thái đường biên hạt không cân bằng bao gồm mật độ lớn sự chuyển vị đường biên hạt ngoại lai Trên cơ sở số liệu thực nghiệm thu được từ các nhà khoa học đã đưa ra mô hình sau đây để phát triển cấu trúc khuyết tật vật liệu trong quá trình SPD (hình 1.16) ý tưởng chính dựa vào sự biến đổi cấu trúc ô hình mạng (hình 1.16a) thành một hình có dạng hạt, khi mật

độ khuyết tật trong tường ô trống đạt được giá trị tới hạn nhất định và triệt tiêu một phần khuyết tật ở sự xuất hiện những điểm khác của đường biên ô trống (hình 1.16b) Điều đó đã dẫn đến những khuyết tật thừa của điểm đơn lẻ còn lại (hình 1.16c) Các khuyết tật thừa đóng những vai trò khác nhau: khuyết tật với vectơ Burgers thẳng góc đường biên hạt kéo dài gây ra sai lệch định hướng tăng lên và khi mật độ lên chúng gây ra biến đổi cấu trúc dạng hạt, cùng thời điểm đó những trường ứng suất phạm vi đáng kể được kết hợp với chuyển vị trượt cũng có thể dẫn tới sự trượt (của hạt) dọc theo đường biên hạt, v.v

1.3 Kết luận

Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng, việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô bằng phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD là hoàn toàn có khả năng làm được ở Việt Nam Mặc dù vậy, để chế tạo được vật liệu cấu trúc nanô bằng phương pháp SPD thì chúng ta cần phải nghiên cứu sâu

hơn nữa về các vấn đề gây ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc của vật liệu trong quá trình biến dạng

Hiện nay, phương pháp SPD là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến trên thế giới để chế tạo vật liệu cấu trúc nanô Cơ chế của sự hình thành cấu trúc nanô trong quá trình biến dạng được mô tả ở nhiều phương pháp khác nhau, một trong những phương pháp thể hiện rõ nhất đó là quá trình ECAP Nguyên lý của quá trình rất đơn giản và dễ chế tạo, vì vậy, việc lựa chọn phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt bằng quá trình ECAP là hoàn toàn phù hợp và có cơ sở thực tiễn rất cao Mặc dù vậy, cần kiểm chứng lại quá trình ECAP đối với Titan để khẳng định tính chân thực của phương pháp này, và từ đó có thể phát triển ra nhiều loại vật liệu khác nữa Để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp ECAP này thì có nhiều cách để thực hiện, một trong những cách được sử dụng phổ biến hiện nay mà ít tốn kém hơn cả đó là mô phỏng quá trình trên máy tính

Chương 2

Phần mềm ANSYS ứng dụng trong Mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn

2.1 Giới thiệu chung về ANSYS

ANSYS là một phần mềm công nghiệp vạn năng dựa trên cơ sở phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán Vật lý - Cơ học Thực chất của phương pháp phần tử hữu hạn là sử dụng phương pháp rời rạc hoá và gần đúng chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích

về dạng số, để giải các bài toán trên

Nhờ ứng dụng phương pháp Phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật được mô hình hoá dưới dạng các phương trình toán học, cho phép lý giải trạng thái bên trong của vật thể như trong thực tế

ANSYS có thể giải các bài toán đàn hồi, dẻo trong phân tích kết cấu, bài toán nhiệt, bài toán dòng chảy chất lỏng nén được và chất lỏng không nén

được Ngoài ra, chương trình có thể tính cho các vật liệu từ, bài toán tiếp xúc

Là phần mềm tính toán mạnh, vạn năng tính cho các phần tử kết cấu thanh, dầm, phần tử tấm, khối 2D và 3D, giải các bài toán đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý tưởng, dẻo nhớt, đàn nhớt Chương trình có khả năng mô phỏng theo mô hình hình học với các điểm, đường, mặt và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử Hai dạng mô hình được trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán

Để giải một bài toán cụ thể, cần đưa các điều kiện biên cho mô hình hình học Các tác động được được đưa vào là lực, chuyển vị, nhiệt độ Chương trình cho kết quả dưới dạng đồ hoạ, trường ứng suất và biến dạng

được đưa ra dưới dạng ảnh đồ phân bố trường, cho phép quan sát và nhận biết

được trường phân bố của các giá trị vật lý nghiên cứu, căn cứ vào đó có thể rút

ra được những phán đoán công nghệ tối ưu Chương trình có các tiện ích, giúp người tính toán thiết kế nhanh chóng thực hiện các nội dung nghiên cứu Đồng thời, cho phép liên kết với một số chương trình phần mềm khác thiết kế khác

Hệ toạ độ: Để tính toán ANSYS sử dụng hai dạng hệ toạ độ là hệ toạ độ

toàn cục và hệ toạ độ địa phương

chuyển đổi với hệ toạ độ cục bộ

bao gồm hệ toạ độ đề các, hệ toạ độ trụ R, θ, Z ,và hệ toạ độ cầu R, θ, ϕ

Ngoài ra ANSYS còn sử dụng:

+ Hệ toạ độ nút dùng để xác định bậc tự do và hướng của nút

+ Hệ toạ độ phần tử đặt trên phần tử dùng để xác định hướng tác dụng lực cũng như kết quả

Xác định bậc tự do:

Trong bài toán phần tử hữu hạn cần xác định bậc tự do của các nút Mỗi nút trong không gian toạ độ: 3 bậc tự do chuyển vị theo các hướng x, y, z là

UX, UY, UZ; ba bậc tự do xoay ROTX, ROTY, ROTZ

Tuỳ từng bài toán và các điều kiện biên cụ thể mà số bậc tự do thay đổi, nút sẽ không thể tịnh tiến hoặc xoay nếu như bậc tự do tại nút bằng 0

Hệ đơn vị đo: Hệ đơn vị đo trong ANSYS có thể là:

+ Hệ đơn vị SI (hệ toạ độ quốc tế): m, kg, s, 0C

+ Hệ đơn vị CGS: cm, g, s, 0C

+ Hệ đơn vị MPA: mm, Mg, s, 0C

+ Hệ Anh

2.2 Kết cấu của phần mềm ANSYS

Về mặt cấu trúc, ANSYS chia thành 3 mô-đun lớn đó là:

♦ Tiền xử lý (preprocessing)

♦ Mô đun giải (Solution)

lý về đồ hoạ trong ANSYS Phương pháp này có ưu điểm là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán được đưa vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu

Phương pháp thứ hai là xây dựng mô hình từ những phần mềm thiết kế mạnh như Pro/Engineer, CATIA, Solid/Work rồi liên kết với ANSYS để đưa mô hình hình học vào Ví dụ như để mô phỏng quá trình dập vuốt một chi tiết nào đó thì mô hình chày, cối và phôi có thể được xây dựng trên các phần mềm thiết kế Solid/Work rồi xuất ra dưới dạng fide dữ liệu.IGES Ưu điểm của phương pháp thứ 2 là có thể dựng được những mô hình rất phức tạp nhưng